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DE4138157A1 - Measuring thickness of coating, e.g. of zinc@ on steel, - counting repeatedly applied laser pulses until spectral lines in plasma generated changes - Google Patents

Measuring thickness of coating, e.g. of zinc@ on steel, - counting repeatedly applied laser pulses until spectral lines in plasma generated changes

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DE4138157A1
DE4138157A1 DE4138157A DE4138157A DE4138157A1 DE 4138157 A1 DE4138157 A1 DE 4138157A1 DE 4138157 A DE4138157 A DE 4138157A DE 4138157 A DE4138157 A DE 4138157A DE 4138157 A1 DE4138157 A1 DE 4138157A1
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DE
Germany
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laser pulse
coating
spectral lines
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energy
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DE4138157A
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Christoph Dr Carlhoff
Claus-Juergen Dr Lorenzen
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Krupp Stahl AG
Fried Krupp AG
Original Assignee
Krupp Stahl AG
Fried Krupp AG
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Abstract

The measurement method involves repeatedly applying a focussed laser pulse of defined duration and intensity to one point on the surface of a workpiece. The material vaporised from the surface, whose quantity corresponds to the pulse duration and intensity, is analysed to determine the coating thickness. The spectrum of the plasma produced is analysed for spectral lines and bands characteristic of elements and/or molecules whose conc. values are determined. The number of pulses is counted until a detectable change in the spectral lines or bands occurs. The coating thickness is derived from the number and intensity of the pulses. ADVANTAGE - Accurate results obtained even on inaccessible surfaces.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Dicke einer auf einem Grundkörper aufgebrachten Beschichtung, die eine andere Materialzusammensetzung aufweist als der Grundkörper, unter Verwendung eines auf die Oberfläche des Werkstücks einwirkenden, fokussierten Laserpulses (Schuß), der eine seiner Dauer und Intensität entsprechende Menge an Material der Beschichtung bzw. des Grundkörpers verdampft, wobei die Dicke der Beschichtung mit Hilfe einer Analyse des verdampften Materials bestimmt wird.The invention relates to a method for determining the thickness of one applied to a base body Coating that's another Material composition has as the Basic body, using one on the Surface of the workpiece, focused laser pulse (shot), one of his Duration and intensity corresponding amount Material of the coating or the base body evaporates with the thickness of the coating Using an analysis of the evaporated material is determined.

Die angesprochene andere Materialzusammensetzung ist natürlich dann gegeben, wenn völlig verschiedene Materialien vorhanden sind, z. B. ein Grundkörper aus Stahl und eine Beschichtung aus Zink oder ein Grundkörper aus Werkzeugstahl und eine Beschichtung aus Keramik. Eine andere Materialzusammensetzung im Sinne der Erfindung ist aber auch dann gegeben, wenn zwei (oder mehrere) Elemente oder Verbindungen lediglich in anderer prozentualer Zusammensetzung in der Beschichtung und im Grundkörper vorhanden sind. The other material composition mentioned is of course given when completely different materials are available, e.g. B. a Base body made of steel and a coating Zinc or a body made of tool steel and a ceramic coating. Another Material composition in the sense of the invention but also given if two (or more) Elements or connections only in others percentage composition in the coating and are present in the basic body.  

Aus dem Buch "Laser-Induced Plasmas and Applications" von L. J. Radziemski und D. A. Cremers, New York, Basel, Marcel Dekker Inc., 1989, S. 353/354, ist ein gattungsgemäßes Verfahren bekannt, bei dem ein Laserpuls (Schuß) die Beschichtung an der betreffenden Stelle verdampft und das verdampfte Material in eine Mischkammer zur Einführung in ein AAS-System (Flammen-Atom- Absorptions-Spektroskopie-System) transportiert wird. Das AAS-Signal wird in Relation zu Signalen bekannter Schichtdicken der gleichen Zusammensetzung gesetzt und die Schichtdicke über Vergleichswerte ermittelt.From the book "Laser-Induced Plasmas and Applications "by L. J. Radziemski and D. A. Cremers, New York, Basel, Marcel Dekker Inc., 1989, S. 353/354, is a generic method known in which a laser pulse (shot) the Coating evaporates at the point in question and the evaporated material into a mixing chamber Introduction to an AAS system (flame atom Absorption spectroscopy system) becomes. The AAS signal is in relation to signals known layer thicknesses of the same Composition set and the layer thickness above Comparative values determined.

Nachteilig bei diesem Verfahren ist, daß das von dem Laserpuls verdampfte Material erst einer Mischkammer zugeführt werden muß und daß dazu eine Absaugvorrichtung bis unmittelbar an die Meßstelle herangeführt werden muß, was an schwer zugänglichen Stellen - soweit überhaupt möglich - mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden ist. Im übrigen handelt es sich um ein indirektes Verfahren, und die Ergebnisse, die über ein Aerosol mit dem verdampften Material ermittelt werden müssen, sind entsprechend fehlerbehaftet.A disadvantage of this method is that the material evaporated from the laser pulse Mixing chamber must be supplied and that a Suction device up to the measuring point must be introduced, what is difficult to access Provide - if at all possible - with considerable difficulties. in the the rest is an indirect one Procedure, and the results obtained through an aerosol can be determined with the vaporized material must have errors.

Aus der DE-OS 40 04 627 ist ein Verfahren zur Bestimmung von Materialeigenschaften polymerer Werkstoffe unter Verwendung eines gepulsten, auf die Oberfläche fokussierten Laserstrahls bekannt. Jeder Laserpuls erzeugt ein Plasma mit einer für die in dem Werkstoff enthaltenen Elemente oder Moleküle charakteristischen Strahlung, wobei diese - in einer Spektraleinheit zeitversetzt spektral zerlegt - in Form von Spektrallinien oder Molekülbändern von einer Detektoreinheit erfaßt wird und aus den Strahlungsintensitäten ausgewählter Elemente/Moleküle anhand zahlenmäßiger Verhältniswerte die zugehörigen Konzentrationswerte ermittelt werden. Hierbei handelt es sich um ein Verfahren, bei dem die Konzentration ausgewählter Werkstoffbestandteile polymerer Werkstoffe und deren Verteilung über die Oberfläche bestimmt werden. Einen Hinweis, Laserpulse zur Bestimmung der Dicke einer Beschichtung heranzuziehen, enthält diese Schrift nicht.DE-OS 40 04 627 describes a method for Determination of material properties of polymer Materials using a pulsed, on the surface of the focused laser beam is known. Each laser pulse generates a plasma with one for the elements contained in the material or Molecules characteristic radiation, this - Spectrally shifted in time in a spectral unit disassembled - in the form of spectral lines or Molecular bands detected by a detector unit  and from the radiation intensities selected elements / molecules based on numerical Ratio values the associated concentration values be determined. This is a Procedure in which the concentration is selected Material components of polymeric materials and their distribution over the surface determined will. A note, laser pulses for determination the thickness of a coating includes this font is not.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, das auch an schwer zugänglichen Stellen durchgeführt werden kann und das genauere Meßergebnisse ermöglicht.The invention is based on the object To specify the procedure of the type mentioned at the outset also performed in hard-to-reach places can be and the more accurate measurement results enables.

Diese Aufgabe wird zunächst dadurch gelöst, daß der auf die Oberfläche einwirkende Laserpuls (Schuß) in zeitlichen Abständen wiederholt wird, daß die Strahlung des von jedem einzelnen Laserpuls erzeugten Plasmas mit den für die in dem Plasma enthaltenen Elemente und/oder Moleküle charakteristischen Spektrallinien und/oder Molekülbändern in einer Spektraleinheit zeitversetzt spektral zerlegt und die Spektrallinien und/oder Molekülbänder einer Detektoreinheit zugeführt und von dieser erfaßt werden und daß aus den Strahlungsintensitäten ausgewählter Elemente/Moleküle anhand zahlenmäßiger Verhältniswerte die zugehörigen Konzentrationswerte ermittelt werden. Zwischen der Fokussiereinrichtung des Laserstrahls bzw. der Laserpulse und dem Werkstück und zwischen dem Werkstück und der Spektraleinheit ist keine unmittelbare apparative Verbindung, sondern lediglich eine optische Verbindung notwendig. Dadurch sind gewisse Entfernungen zwischen den genannten Teilen möglich und es kann z. B. auch ein Werkstück in einer Vakuumkammer untersucht werden, sofern ein optisches Fenster vorhanden ist. Auch an anderen schwer zugänglichen Stellen können Werkstücke untersucht werden.This task is first solved in that the laser pulse (shot) acting on the surface intervals is repeated that the Radiation from each individual laser pulse generated plasmas with those for those in the plasma contained elements and / or molecules characteristic spectral lines and / or Molecular bands in a spectral unit spectrally decomposed and the Spectral lines and / or molecular bands of one Detector unit fed and detected by this and that from the radiation intensities selected elements / molecules based on numerical Ratio values the associated concentration values be determined. Between the focusing device of the laser beam or laser pulses and the Workpiece and between the workpiece and the Spectral unit is not an immediate apparatus Connection, just an optical one Connection necessary. This makes certain  Distances between the named parts possible and it can e.g. B. also a workpiece in one Vacuum chamber to be examined, if one optical window is present. Others too difficult to access places can be workpieces to be examined.

Zusätzlich wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe einerseits dadurch gelöst, daß der in zeitlichen Abständen wiederholte Laserpuls (gepulster Laserstrahl) jeweils auf die gleiche Stelle des Werkstücks gerichtet wird, wobei die Laserenergie je Laserpuls konstant gehalten wird und daß die Anzahl der Laserpulse solange gezählt wird, bis sich eine spürbare Änderung der Spektrallinien bzw. Molekülbänder der ausgewählten Elemente bzw. Moleküle einstellt, wobei die Dicke aus der Anzahl der derart gezählten Laserpulse und deren Energie über Vergleichswerte ermittelt wird. Das Zählen der Laserpulse bis zu einer spürbaren Änderung der Spektrallinien bzw. Molekülbänder läßt sich in einfacher Weise und ohne größeren Aufwand bewerkstelligen. Diese zusätzliche Maßnahme eignet sich vorzugsweise zur punktförmigen Dickenbestimmung bei feststehenden Werkstücken.In addition, the basis of the invention Task solved on the one hand in that the in repeated laser pulse intervals (pulsed laser beam) each on the same Point of the workpiece is directed, the Laser energy per laser pulse is kept constant and that the number of laser pulses counted as long until there is a noticeable change in the Spectral lines or molecular bands of the selected Sets elements or molecules, the thickness from the number of laser pulses counted in this way and whose energy is determined using comparative values. Counting the laser pulses to a noticeable one Changes in the spectral lines or molecular bands can yourself in a simple manner and with little effort accomplish. This additional measure is suitable preferred to be punctiform Thickness determination for fixed workpieces.

Andererseits wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe zusätzlich dadurch gelöst, daß der in zeitlichen Abständen wiederholte Laserpuls jeweils auf eine andere Stelle des Werkstoffs gerichtet wird, wobei die jedem einzelnen Laserpuls zugeordnete Energie gegenüber der des vorangegangenen Laserpulses stetig verändert wird und daß die Energie des Laserpulses bestimmt wird, bei dem sich eine spürbare Änderung der Spektrallinien bzw. Molekülbänder der ausgewählten Elemente bzw. Moleküle einstellt, wobei die Dicke aus der derart bestimmten Energie über Vergleichswerte ermittelt wird. Diese zusätzliche Maßnahme eignet sich vorzugsweise zur Schichtdickenbestimmung von bewegten Werkstücken, wie z. B. Bandstreifen. Nach Erhalt eines Meßwertes wird die Energie des Laserstrahls wieder von einem unteren oder oberen Grenz- oder Anfangswert stetig verändert.On the other hand, that of the invention underlying task additionally solved by that the repeated at intervals Laser pulse to a different location on the Material is directed, the each compared to individual laser pulse energy that of the previous laser pulse steadily is changed and that the energy of the laser pulse is determined in which there is a noticeable change the spectral lines or molecular bands of the selected elements or molecules,  where the thickness is from the energy so determined is determined via comparison values. These additional measure is preferably suitable for Determination of layer thickness of moving workpieces, such as B. tape strips. After receiving a measurement the energy of the laser beam is again from one lower or upper limit or initial value continuously changed.

Bei beiden zusätzlichen Maßnahmen kann auch die Dicke mehrerer aufeinander liegender Schichten bestimmt werden, wenn die zusätzlichen Maßnahmen bis zu einer weiteren spürbaren Änderung der Spektrallinien bzw. Molekülbänder fortgesetzt werden. Die Dicke der zweiten, dritten, usw. Schicht läßt sich dann im Falle der ersten zusätzlichen Maßnahme aus der Anzahl der Laserpulse zwischen den spürbaren Änderungen und im Falle der zweiten zusätzlichen Maßnahme - als Gesamtdicke aller untersuchten Schichten - aus der Energie des Laserpulses ermitteln, bei dem die zweite bzw. dritte usw. spürbare Änderung eintritt.With both additional measures, the Thickness of several layers on top of each other to be determined when the additional measures until another noticeable change in Spectral lines or molecular bands continued will. The thickness of the second, third, etc. Layer can then be used in the case of the first additional measure from the number of laser pulses between the noticeable changes and in the case of second additional measure - as a total thickness of all layers examined - from the energy of the Determine the laser pulse in which the second or third etc. noticeable change occurs.

Durch eine entsprechende Vielzahl der bei der ersten zusätzlichen Maßnahme auf die Meßstelle gerichteten Laserpulse bzw. der Veränderungen der jeweils auf verschiedene Stellen gerichteten Laserpulse gemäß der zweiten zusätzlichen Maßnahme ist es möglich, Meßergebnisse in vorgegebenen Toleranzen zu erhalten. Die Meßgenauigkeit läßt sich dadurch steigern, daß - im Falle der ersten zusätzlichen Maßnahme - die Energie je Laserpuls bzw. - im Falle der zweiten zusätzlichen Maßnahme - die Änderung der Energie von jeweils zwei aufeinanderfolgenden Laserpulsen klein gehalten wird. By a corresponding variety of the at first additional measure on the measuring point directed laser pulses or changes in each directed to different places Laser pulses according to the second additional measure it is possible to get measurement results in given To get tolerances. The measuring accuracy leaves increase in that - in the case of the first additional measure - the energy per laser pulse or - in the case of the second additional measure - the change in energy by two each successive laser pulses kept small becomes.  

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben. So wird - im Falle der zweiten zusätzlichen Maßnahme - die jedem Laserpuls zugeordnete Energie gegenüber den jeweils vorangegangenen Laserpulsen vergrößert. Wenn zusätzlich die Änderung (Vergrößerung) der jedem Laserpuls zugeordneten Energie mit Erreichen der spürbaren Änderung der Spektrallinien bzw. Molekülbänder eingestellt und von einem oberen bzw. unteren Anfangswert neu verändert (erhöht) wird, wird ein Minimum des Materials des zu untersuchenden Werkstücks durch Verdampfen abgetragen.Advantageous developments of the invention are in described the subclaims. This is how - in the event the second additional measure - that everyone Laser pulse assigned energy compared to each previous laser pulses enlarged. If additionally the change (enlargement) of everyone Laser pulse associated energy with reaching the noticeable change in the spectral lines or Molecular bands set and from an upper or the lower initial value is changed (increased), will be a minimum of the material of the investigating workpiece by evaporation worn away.

Um den gepulsten Laserstrahl - ebenfalls im Falle der zweiten zusätzlichen Maßnahme - in einfacher Weise jeweils auf eine andere Stelle des Werkstücks zu richten, wird das Werkstück vorzugsweise kontinuierlich relativ zu dem gepulsten Laserstrahl bewegt. Das kann z. B. dadurch geschehen, daß ein auf ein Coil oder Bund aufgewickeltes beschichtetes Band gleichförmig unter einem gepulsten Laserstrahl bewegt wird.Around the pulsed laser beam - also in the case the second additional measure - in simpler Way to a different location on the workpiece the workpiece is preferred continuously relative to the pulsed laser beam emotional. That can e.g. B. happen that a coated onto a coil or bundle Band uniformly under a pulsed laser beam is moved.

Um ein solches Band nicht nur parallel zur eigenen Längserstreckung, sondern auch flächenmäßig auf die Beschichtungsdicke hin zu untersuchen, wird der gepulste Laserstrahl zusätzlich in einer Richtung, die senkrecht zur Relativbewegung des Werkstücks verläuft oder zumindest eine Komponente senkrecht dazu aufweist, bewegt.To such a band not only parallel to your own Longitudinal extension, but also in terms of area on the Examining the coating thickness, the pulsed laser beam additionally in one direction, the perpendicular to the relative movement of the workpiece runs vertically or at least one component has moved.

Um schwer zugängliche Stellen von Werkstücken noch besser erreichen zu können, ist weiterhin vorgesehen, die gepulsten Laserstrahlen im Fall beider zusätzlicher Maßnahmen vor der Fokussierung und/oder die von dem Plasma ausgehende Strahlung zur Detektoreinheit durch einen Lichtwellenleiter zu führen.To difficult-to-reach places on workpieces It is still possible to achieve better provided the pulsed laser beams in the case both additional measures before focusing and / or the radiation emanating from the plasma  to the detector unit through an optical fiber respectively.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Es zeigtEmbodiments of the invention are in the Drawing shown and will be described in more detail below explained. It shows

Fig. 1 die Wirkungsweise des Verfahrens anhand eines grundsätzlichen Aufbaus einer zur Durchführung des Verfahrens geigneten Anordnung in Form einer Prinzipskizze, Fig. 1 shows the effect of the method on the basis of a basic construction of a geigneten for performing the process arrangement in the form of a diagrammatic sketch,

Fig. 2 ein Spektrum für in einer Beschichtung befindliches reines Titan, Fig. 2 is a spectrum for befindliches in a coating of pure titanium,

Fig. 3 ein Spektrum für im Grundkörper befindliches reines Wolfram, Fig. 3 is a spectrum for building under basic body of pure tungsten,

Fig. 4 ein Diagramm mit der gemessenen Dicke der Titanbeschichtung auf der Wendeschneidplatte längs der Linie zwischen den Punkten 5′ und 5′′ in Fig. 1 und Fig. 4 is a diagram with the measured thickness of the titanium coating on the indexable insert along the line between points 5 'and 5 ''in Fig. 1 and

Fig. 5 die Anwendung des Verfahrens bei einem verzinkten Enlosstahlband. Fig. 5 shows the application of the method in a galvanized stainless steel strip.

In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Dicke der Beschichtung aus Titan einer Wendeschneidplatte 1 aus Wolfram ermittelt.In the exemplary embodiment shown in FIG. 1, the thickness of the coating made of titanium of an indexable insert 1 made of tungsten is determined.

Aus einer Lasereinheit 2 wird ein in gleichen Zeitabständen gepulster Laserstrahl 3 ausgesandt und von einem Umlenkspiegel 4 auf einen Meßpunkt 5 gerichtet. Dabei ist der Umlenkspiegel 4 konkav ausgebildet, so daß der Laserstrahl 3 zwischen dem Umlenkspiegel 4 und der Wendeschneidplatte 1 fokussiert wird. Der fokussierte Teil des Laserstrahls 3 ist durch das Bezugszeichen 3, kenntlich gemacht und wird im folgenden nur kurz als fokussierter Laserstrahl bezeichnet.A laser beam 3, which is pulsed at equal time intervals, is emitted from a laser unit 2 and directed by a deflecting mirror 4 onto a measuring point 5 . The deflecting mirror 4 is concave so that the laser beam 3 is focused between the deflecting mirror 4 and the indexable insert 1 . The focused part of the laser beam 3 is identified by the reference symbol 3 and is referred to only briefly below as the focused laser beam.

Durch die Einwirkung des fokussierten Laserstrahls 3′ entsteht im Meßpunkt 5 ein heißes, hell leuchtendes Plasma 6. Dieses Plasma erzeugt eine für die in ihm enthaltenen Elemente oder Moleküle charakteristische Strahlung 7, die einem Spektrographen 8 zugeführt wird. In diesem wird die Plasmastrahlung mittels eines Gitters 9 spektral zerlegt und in Form einzelner Spektrallinien bzw. ggf. in Form von Molekülbändern 7′, 7′′, . . ., 7 n zeitversetzt von einer als Diodenzeile ausgebildeten Detektoreinheit 10 erfaßt. Das dort digitalisierte Spektrum wird dann an einen der Speicherung und Auswertung dienenden Rechner 11 weitergeleitet.The action of the focused laser beam 3 'creates a hot, brightly glowing plasma 6 in the measuring point 5 . This plasma generates radiation 7 which is characteristic of the elements or molecules contained therein and which is fed to a spectrograph 8 . In this the plasma radiation is spectrally broken down by means of a grating 9 and in the form of individual spectral lines or possibly in the form of molecular bands 7 ', 7 '',. . ., 7 n detected with a time delay by a detector unit 10 designed as a diode row. The spectrum digitized there is then forwarded to a computer 11 which is used for storage and evaluation.

Um mehrere Meßpunkte 5′, 5′′, . . . zu erfassen, werden die Wendeschneidplatte 1 und der fokussierte Laserstrahl 3′ relativ zueinander bewegt. Dies wird dadurch bewerkstelligt, daß der Umlenkspiegel 4 iterativ um eine Achse 12 geschwenkt wird. Zwischen den beiden durch das Schwenken des Umlenkspiegels 4 erreichten äußeren Meßpunkte 5′, 5′′ können so beliebig viele Meßpunkte auf einer durch diese Punkte gehenden Linie erfaßt werden.To several measuring points 5 ', 5 '',. . . to detect, the indexable insert 1 and the focused laser beam 3 'are moved relative to each other. This is accomplished in that the deflecting mirror 4 is pivoted iteratively about an axis 12 . Between the two outer measuring points 5 ', 5 ''reached by the pivoting of the deflecting mirror 4 , any number of measuring points can be detected on a line passing through these points.

Bei jedem Meßpunkt bleibt der Umlenkspiegel 4 in Ruhe. Die Lasereinheit 2 sendet in zeitlich gleichen Abständen fokussierte Laserpulse 3′ jeweils gleicher Energie aus. Jeder Laserpuls 3′ verdampft eine seiner Energie entsprechende kleine Menge des Materials, auf das er trifft, und zwar zusätzlich zu dem, was die vor ihm erzeugten Laserpulse verdampft haben. Mit zunehmender Anzahl der Laserpulse entsteht in der Wendeschneidplatte eine kleine lochartige Ausnehmung.The deflecting mirror 4 remains at rest at each measuring point. The laser unit 2 sends focused laser pulses 3 'at the same time from each the same energy. Each laser pulse 3 'vaporizes a small amount of the material it meets, corresponding to its energy, in addition to what the laser pulses generated in front of it have vaporized. As the number of laser pulses increases, a small hole-like recess is created in the insert.

Zunächst wird das Material der Titan-Beschichtung der Wendeschneidplatte 1 verdampft und die von der Detektoreinheit 10 empfangene, in Spektrallinien 7′, 7′′ . . . zerlegte Stahlung 7 erzeugt ein Spektrum gemäß Fig. 2, das von der Detektoreinheit 10 in digitalisierter Form an den Rechner 11 zur Speicherung und Auswertung weitergeleitet wird. Eine solche Erfassung wird für jeden Laserpuls getrennt ausgeführt.First, the material of the titanium coating of the indexable insert 1 is evaporated and the one received by the detector unit 10 , in spectral lines 7 ', 7 ''. . . decomposed steel 7 generates a spectrum according to FIG. 2, which is forwarded by the detector unit 10 in digitized form to the computer 11 for storage and evaluation. Such detection is carried out separately for each laser pulse.

Trifft einer der Laserpulse 3′, nachdem das Material der Beschichtung an dem betreffenden Meßpunkt 5 n vollständig verdampft ist, auf das Material des Grundkörpers der Wendeschneidplatte 1 aus Wolfram, dann ergibt sich ein Spektrum gemäß Fig. 3.If one of the laser pulses 3 'hits the material of the base body of the indexable insert 1 made of tungsten after the material of the coating has completely evaporated at the measuring point 5 n concerned, then a spectrum according to FIG. 3 results.

Der Übergang von dem Spektrum gemäß Fig. 2 auf das Spektrum gemäß Fig. 3 legt bei der Wendeschneidplatte 1 aus Wolfram mit einer Beschichtung aus Titan den Übergang von der Beschichtung zum Grundkörper fest, wobei die Anzahl der Laserpulse bis zum Übergang und deren Energie als Maß für die Dicke der Beschichtung gewertet werden. Die für diese Wertung notwendige Relation läßt sich z. B. über mikroskopische Schichtdicken-Vergleichsmessungen ermitteln.The transition from the spectrum according to FIG. 2 to the spectrum according to FIG. 3 defines the transition from the coating to the base body in the case of the indexable insert 1 made of tungsten with a coating made of titanium, the number of laser pulses to the transition and their energy as a measure be evaluated for the thickness of the coating. The relation necessary for this evaluation can be z. B. using microscopic layer thickness comparison measurements.

Der Übergang von einem Spektrum auf ein anderes, im vorliegenden Ausführungsbeispiel von dem Spektrum gemäß Fig. 2 auf das gemäß Fig. 3, ist durch die signifikante Änderung bestimmter Linienverhältnisse im allgemeinen ausgewählter Elemente erkennbar. Dieser Übergang ist am Bildschirm erkennbar und/oder durch einen Vergleich mit einem vorgebbaren Sollwert im Rechner bestimmbar.The transition from one spectrum to another, in the present exemplary embodiment from the spectrum according to FIG. 2 to that according to FIG. 3, can be recognized by the significant change in certain line relationships of generally selected elements. This transition can be recognized on the screen and / or can be determined by a comparison with a predefinable setpoint in the computer.

In Fig. 4 ist die in der beschriebenen Weise im Mittel mit überschläglich 3,3/µm ermittelte Dicke der Wolfram-Beschichtung der Wendeschneidplatte 1 an den entsprechenden Meßpunkten 5, 5′, 5′′, . . . aufgetragen.In Fig. 4 is the thickness of the tungsten coating of the indexable insert 1 at the corresponding measuring points 5 , 5 ', 5 '', determined in the manner described with an approximate 3.3 / µm thickness. . . applied.

Um auch weitere Meßpunkte auf der Wendeschneidplatte 1 erfassen zu können, wird diese senkrecht zu der durch die Meßpunkte 5′, 5′′ gegebenen Linie relativ zu dem fokussierten Laserstrahl 3′ bewegt.In order to be able to detect further measuring points on the indexable insert 1 , this is moved perpendicular to the line given by the measuring points 5 ', 5 ''relative to the focused laser beam 3 '.

Bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Dicke einer Zinkschicht auf einem Stahlblechband 12 gemessen. Das Band 12 wird kontinuierlich, von unten kommend, über eine Umlenkrolle 13 geführt und waagerecht weitergeleitet. Wegen eines Hindernisses 14 wird der an einer Lasereinheit 2′ austretende gepulste Laserstrahl 3 durch einen Lichtwellenleichter 15 geleitet und an dessen Ende durch eine optische Einrichtung 16 auf einen Meßpunkt 17 fokussiert. jeder Laserpuls des fokussierten Laserstrahls 3′ verdampft - je nach Intensität - eine kleine Menge an Material aus der Zinkschicht oder aus der Zinkschicht und dem Stahlblech als Grundwerkstoff. Außerdem entsteht in oder unmittelbar über dem Meßpunkt 17, wie bereits beschrieben, ein heißes, hell leuchtendes Plasma 18. Die von diesem ausgehende Strahlung 19 wird wieder wegen eines (diesmal nicht dargestellten) Hindernisses durch einen Lichtwellenleiter 20 einem Spektrographen 8′ mit Gitter und Detektor zugeführt. Die von der Detektoreinheit des Spektrographen 8′ empfangene, in Spektrallinien zerlegte Strahlung 19 erzeugt ein Spektrum, das von der Detektoreinheit in digitalisierter Form einem Rechner 11′ zur Speicherung und Auswertung weitergeleitet wird.In the exemplary embodiment shown in FIG. 5, the thickness of a zinc layer is measured on a sheet steel strip 12 . The belt 12 is guided continuously, coming from below, over a deflection roller 13 and passed on horizontally. Because of an obstacle 14 , the pulsed laser beam 3 emerging at a laser unit 2 'is passed through a light-wave lighter 15 and, at the end thereof, is focused on a measuring point 17 by an optical device 16 . each laser pulse of the focused laser beam 3 'evaporates - depending on the intensity - a small amount of material from the zinc layer or from the zinc layer and the steel sheet as the base material. In addition, as already described, a hot, brightly glowing plasma 18 arises in or immediately above the measuring point 17 . The radiation 19 emanating from this is again fed to a spectrograph 8 'with a grating and detector because of an obstacle (not shown this time) through an optical waveguide 20 . The received from the detector unit of the spectrograph 8 ', broken down into spectral lines radiation 19 generates a spectrum which is forwarded by the detector unit in digital form to a computer 11 ' for storage and evaluation.

Bei dem gepulsten Laserstrahl 3 wird die Energie von Laserpuls zu Laserpuls verändert. Von einem vorgebbaren Anfangswert aus wird sie mit jedem Laserpuls gesteigert. Auf der Oberseite des Bandes 12 sind in Fig. 5 weitere vorangegangene Meßpunkte nahe dem Rand dargestellt. Bei den ersten Laserpulsen verdampft eine deren Energie proportionale Menge an Zink, wobei sich gleichzeitig die Eindringtiefe an den Meßstellen 17 erhöht. In allen Fällen ergibt sich das für Zink spezifische Spektrum. Ist die Energie so groß, daß an einer Meßstelle außer dem Zink der Beschichtung auch noch Stahl (ausgewählte Elemente: Fe, C) verdampft, ergibt sich eine deutliche Änderung des Spektrums. Als Maß für die Dicke der Zinkschicht wird bei dieser Verfahrensvariante die Energie des Laserpulses (Schusses) herangezogen, bei der bereits etwas Stahl mitverdampft ist.With the pulsed laser beam 3 , the energy is changed from laser pulse to laser pulse. From a predefinable initial value, it is increased with each laser pulse. On the upper side of the band 12 , further previous measuring points near the edge are shown in FIG. 5. In the first laser pulses, an amount of zinc proportional to their energy evaporates, the penetration depth at the measuring points 17 increasing at the same time. In all cases, the spectrum specific to zinc results. If the energy is so great that steel (selected elements: Fe, C) also evaporates at a measuring point in addition to the zinc of the coating, the spectrum changes significantly. In this variant of the method, the energy of the laser pulse (shot) is used as a measure of the thickness of the zinc layer, in which some steel has already evaporated.

Nach Erreichen einer derart spürbaren Änderung des Spektrums wird die den Laserpulsen zugeordnete Energie wieder von einem unteren vorgebbaren Anfangswert hochgefahren.After achieving such a noticeable change in The spectrum is assigned to the laser pulses Energy again from a lower definable Initial value ramped up.

Claims (8)

1. Verfahren zum Bestimmen der Dicke einer auf einem Grundkörper aufgebrachten Beschichtung, die eine andere Materialzusammensetzung aufweist als der Grundkörper, unter Verwendung eines auf die Oberfläche des Werkstücks einwirkenden, fokussierten Laserpulses (Schuß), der eine seiner Dauer und Intensität entsprechende Menge an Material der Beschichtung bzw. des Grundkörpers verdampft, wobei die Dicke der Beschichtung mit Hilfe einer Analyse des verdampften Materials bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß der auf die Oberfläche einwirkende Laserpuls (3′) (Schuß) in zeitlichen Abständen wiederholt und jeweils auf die gleiche Stelle (5, 5′, . . .) des Werkstücks (1) gerichtet wird, wobei die Laserenergie je Laserpuls (3′) konstant gehalten wird,
daß die Strahlung (7) des von jedem einzelnen Laserpuls (3′) erzeugten Plasmas (6) mit den für die in dem Plasma (6) enthaltenen Elemente und/oder Moleküle charakteristischen Spektrallinien und/oder Molekülbändern in einer Spektraleinheit (8, 9) zeitversetzt spektral zerlegt und die Spektrallinien und/oder Molekülbänder einer Detektoreinheit (10) zugeführt und von dieser erfaßt werden,
daß aus den Strahlungsintensitäten ausgewählter Elemente/Moleküle anhand zahlenmäßiger Verhältniswerte die zugehörigen Konzentrationswerte ermittelt werden,
und daß die Anzahl der Laserpulse solange gezählt wird, bis sich eine spürbare Änderung der Spektrallinien bzw. Molekülbänder der ausgewählten Elemente bzw. Moleküle einstellt, wobei die Dicke der Beschichtung aus der Anzahl der derart gezählten Laserpulse und deren Energie über Vergleichswerte ermittelt wird.
1. Method for determining the thickness of a coating applied to a base body, which has a different material composition than the base body, using a focused laser pulse (shot) acting on the surface of the workpiece, which has an amount of material corresponding to its duration and intensity Coating or the base body evaporates, the thickness of the coating being determined with the aid of an analysis of the evaporated material, characterized in that
that the laser pulse ( 3 ') (shot) acting on the surface is repeated at time intervals and each directed to the same location ( 5, 5 ',...) of the workpiece ( 1 ), the laser energy per laser pulse ( 3 ' ) is kept constant,
that the radiation ( 7 ) of the plasma ( 6 ') generated by each individual laser pulse ( 3 ) with the spectral lines and / or molecular bands characteristic of the elements and / or molecules contained in the plasma ( 6 ) in a spectral unit ( 8 , 9 ) spectrally decomposed with a time delay and the spectral lines and / or molecular bands are fed to a detector unit ( 10 ) and detected by the latter,
that the associated concentration values are determined from the radiation intensities of selected elements / molecules on the basis of numerical ratio values,
and that the number of laser pulses is counted until there is a noticeable change in the spectral lines or molecular bands of the selected elements or molecules, the thickness of the coating being determined from the number of laser pulses counted in this way and their energy using comparative values.
2. Verfahren zum Bestimmen der Dicke einer auf einem Grundkörper aufgebrachten Beschichtung, die eine andere Materialzusammensetzung aufweist als der Grundkörper, unter Verwendung eines kurzzeitig auf die Oberfläche des Werkstücks einwirkenden, fokussierten Laserpulses (Schuß), der eine seiner Dauer und Intensität entsprechende Menge an Material der Beschichtung bzw. des Grundkörpers verdampft, wobei die Dicke der Beschichtung mit Hilfe einer Analyse des verdampften Materials bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß der auf die Oberfläche einwirkende Laserpuls (3′) (Schuß) in zeitlichen Abständen wiederholt und jeweils auf eine andere Stelle (17) des Werkstücks (12) gerichtet wird, wobei die jedem Laserpuls (3′) zugeordnete Energie gegenüber dem vorangegangenen Laserpuls stetig verändert wird,
daß die Strahlung (19) des von jedem einzelnen Laserpuls erzeugten Plasmas (18) mit den für die in dem Plasma enthaltenen Elemente und/oder Moleküle charakteristischen Spektrallinien und/oder Molekülbändern in einer Spektraleinheit (8′) zeitversetzt spektral zerlegt und die Spektrallinien und/oder Molekülbänder einer Detektoreinheit zugeführt und von dieser erfaßt werden,
daß aus den Strahlungsintensitäten ausgewählter Elemente/Moleküle anhand zahlenmäßiger Verhältniswerte die zugehörigen Konzentrationswerte ermittelt werden
und daß die Energie des Laserpulses (3′) bestimmt wird, bei dem sich eine spürbare Änderung der Spektrallinien bzw. Molekülbänder der ausgewählten Elemente bzw. Moleküle einstellt, wobei die Dicke der Beschichtung aus der derart bestimmten Energie über Vergleichswerte ermittelt wird.
2. Method for determining the thickness of a coating applied to a base body, which has a different material composition than the base body, using a briefly acting, focused laser pulse (shot) on the surface of the workpiece, the amount of material corresponding to its duration and intensity the coating or the base body evaporates, the thickness of the coating being determined with the aid of an analysis of the evaporated material, characterized in that
that the laser pulse acting on the surface ( 3 ') (shot) is repeated at intervals and in each case directed to a different location ( 17 ) of the workpiece ( 12 ), the energy associated with each laser pulse ( 3 ') being constant compared to the previous laser pulse is changed
that the radiation ( 19 ) of the plasma ( 18 ) generated by each individual laser pulse with the spectral lines and / or molecular bands characteristic of the elements and / or molecules contained in the plasma is spectrally separated in a spectral unit ( 8 ') and the spectral lines and / or molecular bands are fed to a detector unit and detected by it,
that the associated concentration values are determined from the radiation intensities of selected elements / molecules on the basis of numerical ratio values
and that the energy of the laser pulse ( 3 ') is determined, in which there is a noticeable change in the spectral lines or molecular bands of the selected elements or molecules, the thickness of the coating being determined from the energy determined in this way using comparison values.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die jedem Laserpuls (3′) zugeordnete Energie gegenüber dem jeweils vorangegangenen Laserpuls vergrößert wird.3. The method according to claim 2, characterized in that the associated with each laser pulse ( 3 ') energy is increased compared to the previous laser pulse. 4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der jedem Laserpuls zugeordneten Energie mit Erreichen der spürbaren Änderung der Spektrallinien bzw. Molekülbänder der ausgewählten Moleküle bzw. Moleküle eingestellt und von einem Anfangswert neu begonnen wird.4. The method according to claim 2 or 3, characterized characterized that the change of everyone Laser pulse associated energy with reaching the noticeable change in the spectral lines or Molecular bands of the selected molecules or Molecules set and new from an initial value is started. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (12) kontinuierlich relativ zu dem gepulsten Laserstrahl (3′) bewegt wird.5. The method according to any one of claims 2 to 4, characterized in that the workpiece ( 12 ) is continuously moved relative to the pulsed laser beam ( 3 '). 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der gepulste Laserstrahl (3′) in einer Richtung, die senkrecht zur Relativbewegung des Werkstücks (12) verläuft oder zumindest eine senkrechte Komponente dazu aufweist, bewegt wird.6. The method according to claim 5, characterized in that the pulsed laser beam ( 3 ') is moved in a direction perpendicular to the relative movement of the workpiece ( 12 ) or at least has a vertical component thereto. 7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der gepulste Laserstrahl (3′) vor der Fokussierung durch einen Lichtwellenleiter (15) geführt wird.7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the pulsed laser beam ( 3 ') is guided through an optical waveguide ( 15 ) before focusing. 8. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem Plasma (18) ausgehende Strahlung (19) durch einen Lichtwellenleiter (20) zu dem Spektrographen (8′) geführt wird.8. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the radiation ( 19 ) emanating from the plasma ( 18 ) is guided through an optical waveguide ( 20 ) to the spectrograph ( 8 ').
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